智能定位自輸送采果輔助機的設計

郝翠青*，胡堯

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智能定位自輸送采果輔助機的設計

郝翠青*，胡堯

（武漢理工大學，湖北武漢，430063）

設計了一種智能定位自輸送采果輔助機，能夠針對高處蘋果進行智能化定位采摘，并通過快速收集來實現連續性采摘作業，考慮到采摘機構的各部件在運行時需要較高的協調性、準確性，以及與定位機構各部件搭配的合理性，本系統采用PLC作為控制元件，控制各運動機構的相應電機或元件，以此實現精確定位及協調工作。本論文從果農的實際采摘情況入手，設計出了操作簡便的采果輔助機，對果農的采摘作業起到了有效協助作用。不僅提高了高處蘋果的采摘效率，保障了蘋果成品質量，同時也降低了工作人員的勞動強度和采摘成本。

采果輔助機；智能定位采摘；連續性作業

引言

蘋果作為世界上僅次于柑桔、香蕉、葡萄之后的第四大水果，栽培地點遍及全球93 個國家和地區[1]。中國是蘋果的起源地之一。在中國，蘋果種植具有悠久的生產歷史和得天獨厚的地理環境、氣候條件。2015年我國蘋果種植面積和產量分別為227萬公頃和4261萬噸，分別占世界蘋果栽培面積和產量的47%和51%。

大量的蘋果種植也帶來了大量的勞動力需求。蘋果屬于勞動密集型產業，生產優質蘋果需要大量的人工投入[2]。調查發現，蘋果采收過程中，采摘人員需事先攜帶籃筐，依照從下到上，從外向里的采摘順序采摘蘋果，采摘的蘋果需及時放入籃筐，長在高處的蘋果需用梯子采摘。然而，人工采摘存在耗時長、高處采摘移動受限、長期采摘易引起工作人員的不適感，不利于采摘人員的長期作業。

為解決上述果園人工采摘所面臨的問題，提高蘋果采摘效率、保證蘋果完好度，為數量巨大的蘋果種植商帶來極高的經濟效益，幫助渤海灣產區百姓在蘋果采摘過程中最大程度地省時省力，降低成本，提高效率，項目組設計了該款蘋果摘收機。

1 裝置結構

智能定位自輸送采果輔助機能夠在果樹一定高度范圍內實現智能化定位采摘、連續性收集的一體化作業。本項目的機械機構的設計主要包含采摘機構和收集機構。

圖1 智能定位自輸送采果輔助機的整體設計圖

1.1 采摘機構

采摘機構為了搭配控制系統方面實現智能定位采摘，整體分為三爪采摘器、改進步進電機和4自由度機械臂三個部分，并通過套筒等連接件完成三部分功能上的連接。

三爪采摘器由三個內表面貼有軟膠材質的曲面爪、連接壓塊、復位彈簧、鋼絲軟線、彈簧固定套筒組成，其整體處于采摘機構的上方；改進步進電機由傳統步進電機、防旋轉滑塊組成。三爪采摘器與改進步進電機內部通過鋼絲軟線進行連接，實現功能與效應的傳遞；外部通過固定套筒連接，對應上下部均有螺釘固定連接，套筒自身通過底端與機械臂的連接來實現位置的固定。采摘機構整體如圖2所示。

機械臂是控制三爪手運動的主要執行機構，主要部件由基座、主臂、腕部和各個關節構成，如圖3所示。包括腕部俯仰、腕部回轉、主臂仰俯和主臂回轉4種運動形式。

1.2 收集機構

整體樣貌為兩個方向相反的小圓臺與大方臺側面的組合，主桿上端固定連接一個正圓臺側面的小緩沖篷；以該小緩沖篷的大圓面為自身的小頂面，在支撐架上固定連接一個倒方臺側面的大緩沖篷。該組合設計實現了對蘋果的全平面初步緩沖接納。在支撐架下端是一個緩沖網，其樣式如同籃球框上的球網，起到對從大緩沖篷滾下再通過支撐架的蘋果的進一步緩沖保護。另外，大緩沖篷與緩沖網之間的支撐架表面添加有軟質緩沖材料，避免蘋果直接落到支撐架上帶來的損壞。收集機構整體效果圖如圖4所示。

圖4 收集機構整體效果圖

兩個傾角均為緩沖篷對應母線與水平面之間所夾銳角。兩個緩沖篷的傾角很大程度上影響著蘋果的收集質量，太大與太小都不利于對蘋果收集時的緩沖。本項目組考慮到實際情況，初步將小緩沖角1設計為25°，將大緩沖篷傾角2設計為10°。

2 整體控制

對于基于視覺的機械臂控制來說，機器人視覺是一個非常重要的組成部分。機器人只有在視覺的指引之下，才能獲得目標的正確信息，從而控制機械臂完成指定的任務。視覺系統必須在標定的基礎上，識別目標對象的位置和姿態[3]。由于蘋果與周圍環境的色調相差較大，所以基于HSV(hue-saturation—value)色彩空間來識別圖像，用Matlab圖像處理工具箱提供了大量數字圖像處理的函數，可以實現各種分割算法[4]。

采摘過程中，利用HSV顏色切割識別出目標果實，然后將果實圖像圓形化，利用最小二乘法近似求解果實圓心，以此目標物體的三維坐標。識別定位過程如圖5所示。

圖5 蘋果識別定位過程

本模型用蒙特卡洛(Monte Carlo)法得到機械臂的操作空間，機械臂的自由空間確定后，通過隨機路標法，可得規劃路徑，應用逆向寬度優先搜索與Dijkstra算法，得到一個對路徑進行安全性優化的數學模型，機械臂路徑規劃過程如圖6所示。

圖6 機械臂路徑規劃

根據雙目攝像機所識別定位得到的位姿，由軌跡規劃算法逆解機械臂運動學，計算出各舵機角度、角速度，將其換算成PLC控制的內部指令，然后發送到各舵機控制器，再通過驅動板驅動各舵機運動[5]，如圖7所示。

圖7 機械臂控制運動過程

首先控機械手由點A移動到與點C處于同一高度的點B，由點B運動到點C，此規劃方法先使手爪和目標處于同一高度，能大程度上減少機械臂運動過程中與枝葉不必要的碰撞。

3 應用前景

目前，蘋果產業的高速發展與蘋果采摘行業的自動化水平緩慢發展之間的矛盾，造成了如今大量的勞動力投入到蘋果采摘的相關產業。這主要是采摘工作機械化水平不高，人們的勞動效率低下，勞動成本降不下來，生產效率提不上去造成的。機械裝備市場中現存的林果業機具種類較少，品種單一，且機械性能和組合型結構簡單，技術含量不高，不能滿足日益增長的林果業發展需求，急待更新換代，以達到提升林果機械化技術的科技含量的目的。

本產品的設計初衷就是輔助人們的工作，將水果的采摘、放置功能結合在一起，提高人們的工作效率。本產品采用智能化識別定位技術幫助人們快速、準確地找到蘋果的位置，再利用機械結構準確地較大范圍內摘取蘋果，最后利用收集裝置自動收集果實，無需在采摘后再進行人工整理。另外，本產品相對便捷、易于移動，在很大程度上提高蘋果采摘效率并且節省了勞動力。

4 結束語

為提高蘋果采摘效率、保證蘋果完好度，為數量巨大的蘋果種植商帶來極高的經濟效益，設計了智能定位自輸送采果輔助機，產品的特點主要體現在以下幾點：

（1）智能定位自輸送采果輔助機的采摘機構，整體分為三爪采摘器、改進步進電機兩個部分，并通過套筒連接，兩個部分靈活配合，為實現蘋果的準確快速采摘奠定重要基礎；

（2）采果輔助機的智能定位機構，；定位機構主要由機械臂以及其上的雙目攝像頭組成。機械臂是控制三抓手運動的主要執行機構，通過對機械臂運動的智能控制，實現了蘋果的精準識別與定位；

（3）采摘機的收集機構，本項目組設計了一體化收集機構，通過緩沖網結構實現蘋果的一次性多個收集，以保證蘋果的連續性采摘。

[1] 范英. 中國蘋果生產布局變遷研究[D]. 西北農林科技大學, 2010.

[2] 郭正. 黃土高原旱作蘋果園地水分生產力和深層土壤干燥化效應模擬研究[D]. 西北農林科技大學, 2015.

[3] 李蘇寧. 基于圖像的機械臂視覺控制系統設計[D]. 哈爾濱工業大學, 2011.

[4] 包全磊. 基于HSV空間的彩色圖像分割[J]. 軟件導刊, 2010, 09(7): 171-172.

[5] 徐昱琳, 楊永煥, 李昕, 等. 基于雙目視覺的服務機器人仿人機械臂控制[J]. 上海大學學報(自然科學版), 2012, 18(5): 506-512.

Design of Intelligent Positioning Self - conveying Picking Assist Machine

HAO Cuiqing*, HU Yao

（Wuhan University of Technology, Hubei Wuhan, 430063, China）

A smart positioning self-conveying pick-up assisting machine is designed. It can intelligently position and pick the apples at high altitude and realize the continuous picking operation by collecting quickly. Considering that the components of picking mechanism need to be higher during operation The coordination, accuracy, and the rationality of collocation with each component of the positioning mechanism. The system adopts PLC as a control component to control corresponding motors or components of each movement mechanism so as to achieve precise positioning and coordination. In this paper, we start with the actual picking situation of fruit growers, and design an easy-to-use fruit picking assisting machine, which plays an effective role in assisting the picking of fruit growers. Not only improve the picking efficiency of apple height, protect the quality of the finished apple, but also reduce the staff's labor intensity and picking costs.

picking fruit assisting machine; intelligent positioning picking; continuous working

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2018.01.048

TP393

A

1672-9129(2018)01-0120-03

郝翠青, 胡堯. 智能定位自輸送采果輔助機的設計[J]. 數碼設計, 2018, 7(1): 120-122.

HAO Cuiqing, HU Yao. Design of Intelligent Positioning Self - conveying Picking Assist Machine[J]. Peak Data Science, 2018, 7(1): 120-122.

2017-11-23；

2017-12-27。

陳志民（1975-),男，福建廈門，高級工程師，工程學士，研究方向:電力系統及自動化。E-mail:2474958762@qq.com